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Regelverfahren für elektrische Antriebe

 

Einführung

Elektrische Servoantriebe müssen Prozessgrößen mit hoher Genauigkeit und Dynamik bereitstellen. Sie verfügen deshalb über geschlossene Regelkreise, die ein entsprechendes Führungsverhalten sicherstellen und vom Anwendungsprozess einwirkende Störgrößen kompensieren. Die Regelungsfunktionen sind in der Signalelektronik des Stellgliedes integriert. Sie werden in modernen Geräten fast ausschließlich digital unter Verwendung von Mikroprozessoren realisiert.
Bevor die regelungstechnischen Details von Servoantrieben behandelt werden, sei nachfolgend ein kleiner Exkurs in die wichtigsten Grundlagen der Regelungstechnik gestattet.

 

Der Regelkreis

Die Regelung von physikalischen Größen ist ein Steuerverfahren, bei dem die zu beeinflussende Größe (Regelgröße) laufend erfasst und mit einem Sollwert (Führungsgröße) verglichen wird. Treten Abweichungen auf, wird eine Stellgröße so verändert, dass die Abweichung minimal wird oder ganz verschwindet.

Der Regelkreis besteht aus den Hauptkomponenten Regelstrecke und Regler. Die Regelstrecke ist der zu beeinflussende Anlagenteil. Der Regler ist eine Funktionseinheit, die nach vorgegebenen Algorithmen aus der Regelabweichung die erforderliche Stellgröße zur Verringerung der Regelabweichung berechnet.

Regelabweichungen treten entweder

• durch Änderungen der Führungsgröße (z. B. durch Vorgabe neuer Sollwerte) oder
• durch Störgrößen, die auf die Regelstrecke einwirken,

auf.

 

Beschreibung von Regelkreisen durch Übertragungsglieder

Zur Beschreibung von Regelkreisen werden Signalflusspläne verwendet. Sie bestehen aus Signalpfaden und Übertragungsgliedern.

Die Übertragungsglieder wandeln ihre Eingangsgröße nach einer mathematischen Funktion (Übertragungsfunktion) in ihre Ausgangsgröße um. Man unterscheidet

• lineare und nichtlineare sowie
• kontinuierliche und diskontinuierliche (zeitdiskrete)

Übertragungsglieder.
Für das grundlegende Verständnis ist meistens die Betrachtung von linearen, kontinuierlichen Übertragungsgliedern ausreichend.

Theoretisch ist die Anzahl von möglichen Übertragungsgliedern unendlich groß. Praktisch kann man jedoch eine Reihe von Grundgliedern definieren, aus denen sich durch Reihen- und Parallelschaltung komplexere Übertragungsglieder bilden lassen. Die Beschreibung von Regelkreisen wird dadurch stark vereinfacht und übersichtlich. Die nachfolgende Tabelle enthält die wichtigsten linearen, kontinuierlichen Übertragungsglieder.

 

Name	Beschreibung	Signalverlauf bei sprungförmiger Anregung	Parameter	Symbol
P-Glied	Das Eingangssignal wird proportional verstärkt.		Proportional- verstärkung P
I-Glied	Das Eingangssignal wird integriert.		Integrations- zeitkonstante Ti
D-Glied	Das Eingangssignal wird differenziert.		Differentiations- zeitkonstante Td
PT1-Glied	Das Ausgangssignal nähert sich dem Eingangssignal verzögert an.		Zeitkonstante T1
PT2-Glied	Das Ausgangssignal schwingt auf das Eingangssignal ein.		Dämpfung D Zeitkonstante T2

Die Beschreibung von Regelkreisen mit Signalflussplänen ist nachfolgend beispielhaft für einen Lageregelkreis dargestellt.

Als Regler kommt ein P-Glied zum Einsatz. Die Regelstrecke bildet ein drehzahlgeregelter Antrieb, der als PT1-Glied modelliert wird. Der Lageregler gibt bei einer vorhandenen Lageabweichung einen Drehzahlsollwert aus, dem der Antrieb verzögert folgt. Aufgrund der Drehbewegung verringert sich die Lageabweichung. Ist die Sollposition erreicht, wird die Lageabweichung zu 0 und der Lageregler gibt einen Drehzahlsollwert von 0 aus. Der Antrieb kommt zum Stillstand.

Praktisch treten in Regelkreisen oft Begrenzungen auf. Insbesondere die Stellgrößen stehen nicht in beliebiger Größe zur Verfügung. Die Begrenzung von Signalen wird durch ein nichtlineares Begrenzungsglied dargestellt.

Name	Beschreibung	Parameter	Symbol
Begrenzungsglied	Das Eingangssignal wird, so lange es den Maximalwert nicht über- und den Minimalwert nicht unterschreitet, unverändert ausgegeben. Anderenfalls wird entweder der Maximalwert oder der Minimalwert ausgegeben.	Maximalwert Minimalwert